Estudo sobre comportamento de corrosão e previsão da degradação do desempenho mecânico de parafusos em ambiente de alta mineralização

Por que parafusos em grande profundidade podem falhar silenciosamente

Em grandes profundidades, parafusos de aço sustentam tetos e paredes de minas de carvão, evitando que os túneis desabem sobre as pessoas que trabalham lá dentro. Em algumas minas, a água circundante está carregada de sais dissolvidos, criando um banho químico agressivo que corrói lentamente esses suportes ocultos. Este estudo coloca uma pergunta simples, porém vital para a segurança mineira: quão rápido esses parafusos enfraquecem nessas condições e um tipo melhor de parafuso pode durar mais?

Perigo oculto em túneis de rocha salgada

Os pesquisadores focam em ambientes de mina “altamente mineralizados”, onde ar quente e muito úmido e água rica em sais se combinam para atacar o metal. Nesses túneis, os parafusos de aço ficam em um filme fino de umidade salgada em vez de permanecerem secos, o que acelera muito a corrosão. A equipe observa que, à medida que as minas ficam mais profundas, a temperatura aumenta e o escoamento do lençol freático diminui, frequentemente elevando os níveis de sais de cloreto e sulfato. Essas condições tornam os parafusos mais propensos a sofrer danos localizados em pontos pequenos em vez de enferrujar de forma uniforme, de modo que um parafuso pode parecer em grande parte íntegro e, de repente, quebrar num ponto enfraquecido, correndo risco de desabamentos do teto e explosões de rocha na via.

Testando parafusos padrão e protegidos com zinco

Para medir quão grave o problema pode ser, os autores realizaram testes de imersão por um ano em dois tipos de parafusos de aço de 20 milímetros: parafusos comuns e parafusos tratados com um revestimento difusivo rico em zinco. Eles imergiram amostras em soluções com diferentes quantidades de íons cloreto e sulfato, isoladamente e em combinação, todas a uma temperatura elevada. Após 365 dias eles removeram a ferrugem, mediram a perda de massa para estimar a profundidade da corrosão, examinaram os produtos de corrosão com difração de raios X e tracionaram os parafusos numa máquina de ensaio para ver quanto da resistência havia sido perdida.

Como a água salgada ataca o aço e como o zinco muda a história

A superfície dos parafusos de aço comuns desenvolveu muitos pequenos e profundos pites em vez de uma camada de ferrugem homogênea. O cloreto mostrou-se o íon mais agressivo, criando pites maiores e mais numerosos que o sulfato à mesma concentração. Quando ambos os íons estavam presentes, eles competiam por pontos na superfície do metal, de modo que o aumento do cloreto agravava a formação de pites, enquanto o aumento do sulfato podia deslocar ligeiramente o dano para um ataque mais uniforme. A ferrugem nos parafusos comuns era solta e não protetora, permitindo que íons e umidade continuassem a penetrar. Em contraste, os parafusos tratados com zinco formaram produtos de corrosão ricos em compostos de zinco que se compactaram, atuando como um escudo. Os pites nesses parafusos eram menos numerosos e mais rasos, e sua perda de resistência foi muito menor no mesmo tempo de exposição.

Das cavidades no aço a um relógio para perda de resistência

Como os pites agem como entalhes minúsculos que concentram tensões, a equipe vinculou diretamente a profundidade das cavidades à perda de limite de escoamento e resistência à tração. Para a faixa de danos observada, a perda de resistência aumentou quase linearmente com a profundidade média de corrosão. Para transformar isso em uma ferramenta de previsão, eles construíram um modelo matemático de como os pites surgem inicialmente e depois crescem ao longo do tempo em água rica em cloreto, incluindo a influência da temperatura. O modelo trata os tamanhos dos pites estatisticamente, usando uma distribuição de probabilidade que representa muitos pites de tamanho médio e poucos muito pequenos ou muito grandes. Ao combinar esse modelo de pites com seus dados de laboratório, eles derivaram fórmulas que expressam a perda de resistência dos parafusos como função do nível de cloreto, da temperatura e do tempo de serviço.

O que o modelo diz sobre a vida útil dos parafusos

Usando seu modelo temporal, os autores mostram que tanto a maior concentração de cloreto quanto a temperatura mais alta encurtam a vida útil dos parafusos de forma acentuada e exponencial. Por exemplo, dobrar o nível de cloreto na faixa típica de algumas minas de carvão chinesas pode reduzir a vida útil esperada de parafusos comuns em mais da metade. Rochas mais quentes têm efeito similar, porém ligeiramente menor. Quando compararam as previsões do modelo com uma via onde parafusos estiveram em serviço por cerca de um ano em condições muito salgadas, a profundidade de corrosão e a perda de resistência calculadas corresponderam de perto tanto aos testes laboratoriais quanto às medições de campo. Esse acordo sugere que o modelo pode ajudar engenheiros a estimar quando os parafusos provavelmente se tornarão perigosamente fracos.

Suportes mais seguros para ambientes de mina severos

Para reduzir o risco de falhas súbitas de parafusos em minas altamente mineralizadas, o estudo recomenda substituir parafusos comuns por parafusos tratados com zinco e usar chapas, telas e outros componentes revestidos de zinco para que todo o sistema de suporte corroa mais lentamente e de maneira mais uniforme. Injetar material de calda densa e alcalina em torno dos parafusos e adicionar mangotes externos pode bloquear ainda mais a entrada de água rica em sais até o aço. Junto com melhor controle da temperatura da mina e monitoramento contínuo da saúde dos suportes, essas medidas podem estender a vida útil dos parafusos e melhorar a segurança dos túneis subterrâneos.

Citação: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

Palavras-chave: corrosão de parafusos, mineração de carvão em profundidade, parafusos revestidos de zinco, corrosão por pite, previsão de vida útil